低炭素技術研究

水素キャリア製造技術(Direct MCH®

再エネ水素を海外から大量輸入するための技術、Direct MCH®について

再生可能エネルギー(再エネ)がたくさん“採れる”地域には偏りがあります。そこで、再エネが豊富な海外から再エネを効率よく、大量に運んでくるための技術開発を行っています。再エネ電力は長距離を運ぶことができないため、水素などの化学エネルギーに変換する必要があります。このように再エネから作った水素を再エネ水素と呼びます。この水素を運ぶための手段が水素キャリア(水素貯蔵体)です。水素キャリアの一つであるメチルシクロヘキサン(MCH)は、トルエンに水素を付加させて作る液体であり、水素ガスと比べると体積当たり500倍以上の水素を含んでいるため、効率よく水素を運ぶことができます。また、MCHは石油に似た性状の液体のため、既存の石油インフラを活用することもできます。運んできたMCHは日本の需要地にて、水素を取り出し(脱水素反応)て使用します。この一連のプロセス(再エネ水素製造~MCH製造~輸送~脱水素~使用)をいかに効率良く行い安価な再エネを供給するかが、再エネ利用拡大のための重要な課題です。

当社では、再エネ水素を製造した後にMCHを製造するという二段階のプロセスを効率化・低コスト化する手法として、Direct MCH®プロセスを開発しています。この手法では、トルエンを直接電気化学反応させることにより、水素ガスを経由せずに水とトルエンからMCHを一段階で製造できます。以下ではその作動原理と開発内容を紹介します。

作動原理と基礎研究開発

Direct MCH®の反応器である電解槽は、図に示すような構造をしています。反応としては、まず陽極では、陽極触媒上で水が電気分解し、酸素、水素イオン、電子が生じます。生じた水素イオンはイオン交換膜を通って陰極に流れ、外部回路を流れてきた電子、トルエンの三者が陰極触媒上で反応してMCHが作られます。このプロセスで重要となる性能指標が、電流密度(反応速度)と反応選択性(ファラデー効率)です。これらの性能が向上すると、小さいサイズの電解槽で多量のMCHを製造できるため、設備コストが縮小し、最終的に水素コスト低減につながります。
このような性能向上に向けた研究開発の一例として、陰極の水の排出促進があります。イオン交換膜においては、プロトンとともに水が陰極に運ばれます。この水が陰極触媒を覆ってしまうと、トルエンの接触が妨げられることで反応が阻害され、副反応である水素発生が起き、MCH製造のファラデー効率が低下してしまいます。
この対策として、触媒層やトルエンが流れる拡散層のマクロ、ミクロ構造や化学的性質を制御し、効率よく水が排出できるよう検討を行っています。

電解槽大型化

Direct MCH®の実用化に向けて、電解槽の大型化を進めています。電極の大面積化や積層構造(スタック構造)の技術開発により、商用化が可能な数MWクラスの電解槽を開発する予定です。

今後、Direct MCH®を実用化し、安価な海外再エネ由来のCO2フリー水素(グリーン水素)を輸送、利用するサプライチェーンを構築することで、日本のCO2排出削減に貢献していきます。

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